Forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo undersökte mekanismen för fasseparation i de två faserna med mycket olika partikelrörlighet med hjälp av datorsimuleringar. De fann att långsam dynamik hos komplexa anslutna nätverk styr hastigheten för demixning, som kan hjälpa till med utformningen av nya funktionella porösa material, som litiumjonbatterier.

Enligt det gamla ordspråket, olja och vatten blandas inte. Om du försöker göra det ändå, du kommer att se den fascinerande processen med fasseparation, där de två oblandbara vätskorna spontant "demixar". I detta fall, minoritetsfasen bildar alltid droppar. I motsats till detta, forskarna fann att om en fas har mycket långsammare dynamik än den andra fasen, även minoritetsfasen bildar komplexa nätverk istället för droppar. Till exempel, vid fasseparation av kolloidala suspensioner (eller proteinlösningar), den kolloidrika (eller proteinrika) fasen med långsam dynamik bildar en rymdspännande nätverksstruktur. Nätverksstrukturen tjocknar och förgrovs med tiden samtidigt som den har den anmärkningsvärda egenskapen att se likadan ut över en rad längdskalor, så de enskilda delarna liknar helheten.

Vid spontan avblandning, den självliknande egenskapen gör att den typiska storleken på domänerna ökar som en funktion av förfluten tid samtidigt som man följer en maktlag. Klassiska teorier förutspår att tillväxtexponenten för domänerna bör vara en tredjedel och en för droppar eller bikontinuerliga strukturer, respektive. Dock, för nätverksbildande fasseparation, det har inte undersökts hur strukturen växer eller om det finns en sådan lag.

Nu, med hjälp av storskaliga datorsimuleringar, forskare vid University of Tokyo studerade hur den typiska storleken på fasdomäner växer över tiden när ett system är djupt släckt. "I en sådan situation, partikelrörligheten kan skilja sig markant mellan de två faserna, och då, den klassiska teorin gäller inte nödvändigtvis, " säger första författaren Michio Tateno. Teamet studerade fasseparationen av en vätska till en gas och vätska och avblandningen av en kolloidal suspension bestående av olösliga partiklar och en vätska, med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik och hydrodynamiska beräkningar, respektive. De fann att minoritetsfasen av långsam dynamik universellt bildar en nätverksstruktur som växer med en tillväxtexponent på 1/2, och gav en teoretisk förklaring till mekanismen.

"Betydande skillnader i partikelrörligheten mellan de två faserna spelar en avgörande roll för att kontrollera hastigheten på avblandningsprocessen, ", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. Eftersom många enheter, som laddningsbara batterier och katalysatorer, lita på skapandet av invecklade porösa nätverk, denna forskning kan leda till framsteg inom dessa områden. Dessutom, det kan kasta ljus över vissa cellulära funktioner som har antagits kontrolleras av interna biologiska fasseparationer.

Studien publiceras i Naturkommunikation .